毕业论文：风力发电变桨距控制系统研究

从表可以看出风力发电具有显著的环保效益。

据专家计算，风力发电每时般可以减少消耗标准煤，同时还会减少排放，以及定数量的，及粉尘灰碴等。

会导致温室效应，空气中的和会产生酸雨，粉尘污染空气，灰碴需占用土地堆放和处理。

而风力发电则不同其作为绿色能源的种，己深受全世界的重视。

正如美国著名学者美国地球政策研究所所长莱斯特布朗在他的新书模式中指出我们要提倡风力发电，由于风能非常丰富价格非常便宜能源不会枯竭又可以在很大范围内取得非常干净，没有污染，不会对气候造成影响。

目前，还没有任何种能源有这么多的优点。

因此风能是种对环境和人类都友好的真正的无污染的能源，其是改变全球能源与环境冲突的最有效方式之，而这其中以风力发电最为广泛。

表不同能源对环境影响对比表能源空气污染气候改变土地使用水质污染野生动物辐射煤极高极高高高高低石油高高中等中等中等近乎为零天然气中等高中等低低近乎为零水电近乎为零中等高高近乎为零近乎为零核电近乎为零低低高高极高太阳能近乎为零低高近乎为零近乎为零近乎为零风能近乎为零极低低近乎为零近乎为零近乎为零风能发电的历史与现状世界上第个利用风力发电的国家是丹麦。

年，丹麦制造了人类社会第台风力发电机。

到年时，已有几百台的风力发电机组在丹麦运行。

同年荷兰美国等国家也都有风力机发电机组的运行。

风力发电的应用最初在边远地区，应用的方式主要有单独使用小型风力发电机，供家庭住宅使用风力发电机与其它电源联用，可为海上导航设备和远距离通信设备供电并入地方孤立小电网，为乡村供电。

在此后的段时间内，由于风力机机械故障频发和发电成本较高，而且石油价格下降能源供应状况好转，因而风力发电并没有得到足够的重视，几乎没有得到什么发展。

风力发电技术真正得以大的发展是在本世纪年代中期之后，在这段时间里，由于火电造成的环境污染日益严重，而且正逐步耗尽人类有限的矿物资源，导致人们对可再生能源包括风能越来越重视，特别是年石油危机以来，经过几十年的努力，风力发电机机组得到了日新月异的进展，风力发电逐步从科研走向产品，从实验走向实用。

回顾世界风电发展历史，大致可以分为三个阶段第阶段，年。

这个阶段的主要成就是证明风力是可以用来发电的，风的很多特点是可以被人们利用和控制的。

其中，丹麦和美国的研究成果最多，风机容量也从几十瓦发展到百千瓦。

第二个阶段，年。

风电技术逐步成熟，风电产业成规模发展，并建立了稳定的商业模式。

涌现出了近家技术较为成熟的优秀制造企业，单机容量从百千瓦提高到几百千瓦，变浆风机技术成熟并进入市场，与失速风机在竞争中共同发展。

第三个阶段，年至今。

兆千级的风机成主要趋势，海上风电逐步推广。

随着单机容量提高，为应对极限载荷和疲劳载荷的挑战，新的直驱变速变浆和双馈变速变浆逐步成为兆千级风机的主流技术。

如今风力发电如雨后春笋般在全球方兴未艾的发展着。

全球风能理事会据相关统计公布年全球风电增长，高于过去年的平均增长，增长最快的市场在欧洲北美和亚洲。

全球的总装机容量已超过了千万千瓦，相当于减排亿吨二氧化碳。

风力发电增长最快的主要是美国和中国，中国风能协会发布的年中国风电装机容量统计报告中显示，年中国新增安装风电机组台，装机容量兆瓦，年同比增长累计安装风电机组台，装机容量兆瓦，年同比增长，成功超越美国跃居全球第风电大国的地位。

风力发电技术的发展发展了个多世纪的风力发电，在其道路上虽然有过停滞期，但是总体来看风电技术的发展依然是令人惊讶的。

第，风电机组单机容量持续增大。

安装大容量机组能够降低风电场运行成本，降低整个风力发电成本，从而提高风电市场竞争力。

同时，随着现代风电技术的日趋成熟，风力发电机组技术朝着提高单机容量，减轻单位千瓦重量，提高转换效率的方向发展。

第二，变桨距功率可调节型机组发展迅速。

由于变桨距功率调节方式具有载荷控制平稳安全高效等优点，近年来在风电机组特别是大型风电机组上得到了广泛应用。

大多数风电机组开发制造厂商，包括传统失速型风电机组制造厂商，都开发制造了变桨距风力发电机组。

第三，变速恒频技术得到快速推广。

随着风电技术以及电力电子技术的进步，大多风电机组开发制造厂商开始使用变速恒频技术，并结合变桨距技术的应用，开发出了变桨变速风电机组，并在市场上快速推广和应用。

第四，无齿轮箱直驱风电机组的市场份额迅速扩大。

无齿轮箱的直驱方式能有效减少由于齿轮箱问题而造成的机组故障，可有效提高系统运行的可靠性和寿命，可大大减少维护成本，受到了市场的推崇。

第五，全功率变流技术兴起。

近年来，欧洲等公司都发展和应用了全功率变流的并网技术，使风轮和发电机的况反馈给主控制器。

轮毂内的传感器包括速度传感器温度传感器位移传感器等，传感器信号通过连接模块反馈给主控制器。

机舱内的电源经滑环连接到上。

把交流电转换直流电，作为桨距控制器的电源和驱动器的控制电源，同时对电池充电。

图中桨距控制器由公司的系列及其运动控制模块和伺服驱动组成，三者共同组成电动变桨距伺服驱动与控制系统，它们之间通过光缆通信，系统内部可以实现精确的同步功能，确保系统整体的精度要求。

图变桨距系统硬件连接图变桨距控制系统结构设计变桨距控制分为两个控制阶段，并网前和并网后，如图所示在发电机并入电网时前，发电机转速由速度控制器根据发电机转速反馈信号与给定信号直接控制发电机并入电网后，速度控制与功率控制器起作用。

功率控制器的任务主要是根据发电机转速给出相应的功率曲线，调整发电机转差率，并确定速度控制器的速度给定。

节距的给定参考值由控制器根据风力发电机组的运行状态给出。

当风力发电机组并入电网前，由速度控制器给出当风力发电机组并入电网后由速度控制给出。

图变桨距控制系统分布图④变桨距伺服系统电气连接设计变距机构的主要由伺服电动机伺服驱动器电机编码器减速机叶片编码器限位开关蓄电池等组成，其结构如图所示。

其中变桨距控制箱与三个变桨伺服电机控制箱通过通讯总线连接，通过伺服电机达到控制三个桨叶桨距角的目的。

变桨距控制箱根据风速，发电机功率和转速等，把桨距角命令值发送到各变桨伺服电机控制箱，并通过滑环连接通讯总线把桨距角实际值和运行状况反馈到主控制器。

其各部件作用如下伺服电机变距动力的来源伺服驱动器用来控制伺服电机，并接反馈信号，并将其传送给控制系统电机编码器是实现电机的转速和转矩控制减速机增加电机输出转矩提高带载能力限位开关也称为极限开关防止意外叶片编码器测量当前的桨距角度与电机编码器实现冗余控制蓄电池出于系统安全考虑的备用电源位移传感器用来检测桨叶实际转动的角度。

图变桨距伺服系统电气连接图统变桨控制系统统变桨距是指风力机所有桨叶的节距角同时改变相同的角度以适应风速的改变，使风机运行在良好的状态，他是最先发展起来的电动变桨距控制方法。

统变桨距系统整体结构设计相比较于变桨距控制，统变桨距控制的结构要简单的多，只个控制单元对所有的桨叶进行统的控制。

其整体结构设计如图所示。

图变桨距整体结构图统变桨距系统硬件连接设计统变桨距系统在硬件上同变桨距系统的设计是相同的。

其设计图参考变桨距系统硬件连接图。

统变桨距控制系统结构设计同样根据运行状态可风味速度控制和功率控制两个阶段，并网前和并网后。

在电机组并网以前变桨距系统的桨距角给定值由电机转速信号控制。

转速控制器按定的速度上升斜率给出速度参考值，变桨距系统根据此值来调整桨距角，从而进行速度控制。

在电机并网以后，转速控制切换到功率控制，变桨距系统开始根据发电机的功率信号进行控制。

控制信号的给定值是恒定的，即额定功率。

功率反馈信号与给定值比较，当功率超过额定值时，桨叶桨距角就向迎风面积减小的方向转动个角度，反之则向迎风面积增大的方向转动个角度。

其结构设计如图所示。

图统变桨距系统控制框图电动变桨距软件设计此设计中控制对象为华锐风电科技有限公司的机型，其风轮型号为，启动风速为额定风速为安全风速为停机风速为。

其速度输出与功率特性如表所示。

表速度输出与功率特性表转速功率输出所用控制器为公司，所以采用与其对应的软件进行程序编写。

当满足风力机起动条件时，控制器发出指令使叶片桨距角从匀速减小当发电机并网后控制器根据反馈的功率进行功率调节，在额定风速之下保持较高的风能吸收系数，在额定风速之上，通过调整桨距角使输出功率保持在额定功率上。

在有故障停机或急停信号风速高于时，为安全考虑控制器发出指令使桨距角处于为顺桨状态，程序采用模块化结构，它包括变桨主程序事件处理程序中断程序等。

对电控系统要求的故障检测及处理功能，采取了硬件中断和融和各个事件处理子程序的方法。

主程序主程序主要完成对风电机组的变桨需求扫描变桨运行控制及可自复故障的处理，包括风机的相关参数检测变桨规律控制等。

其流程图如图所示。

图电动变桨距控制系统主流程图事件处理程序事件处理程序主要包括紧急停机程序正常停机等子程序。

流程图如图所示。

硬件中断程序和定时中断程序当故障发生时，便执行硬件中断处理程序块。

根据故障等级，执行正常停机安全停机还是紧急停机。

流程图如图所示。

图意外停机程序流程图电动变桨距系统评估以伺服电机为驱动的变桨距系统比应用较广的液压变桨系统具有更多的优点，不仅可实现变桨，还具有定位精度高的优势，且无温漂无零漂承载范围大调速范围大控制方便动作滞后小适应性强配套简单，能够实现大载荷变桨高精度控制。

由于该系统的变距控制，是在专有件的支持下全部用软件实现的，所以其控制参数可以自由选取并自由改变，灵活方便。

液压变桨距与电动变桨距的比较液压变桨距因为响应频率快，扭矩大，所以其对于惯性负载的控制性能很好，同时便于集中布置，结构紧凑等优点，但其传动结构复杂，非线性现场严重，存在漏油，卡湿等问题，不变维护。

电动变桨距系统结构简单可靠可充分利用有限空间，实现分散配置，控制起来方便，并且可对单桨叶进行控制，但其成本较高，控制方式相对比较复杂。

最佳控制思想从变桨距控制的技术发展来看，首先是定桨距控制，其桨叶可利用的速度范围较小，所以定桨距机组对风能的利用率很低其次是变桨距控制，其大大扩大了桨叶对风速的范围，从很大程度上提高了风能利用率最后是主动失速控制，这种控制方式汲取了定桨距与变桨距的优点，使风电机组性能更为出色。

本文现在提出的控制思想